기업, 자치단체, 일반소비자가 환경 제품(Green Products)을 구입하는 추세가 늘고 있다. 그 중에서도 바이오매스(재생 가능한 생물 유래 유기성 자원으로서 화석 자원을 제외한 것)를 재료로 하는 수지는 “바이오 베이스 플라스틱”이라고 불리며 주목을 끌고 있다.

하지만 바이오 베이스 플라스틱은 낮은 가격에 공급이 어려워 그 보급이 순조롭게 이루어지지 못하고 있다. “바이오매스 일본 종합 전략(2006년 3월 31일 각의 결정)”은 현 시점에서 실용화되고 있는 바이오매스 유래의 플라스틱의 가격을 2010년까지 현재의 400엔/kg에서 200엔/kg정도로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.

그럼에도 불구하고 가격이 범용 수지의 2배에 달하는 것을 소비자가 환경을 위해 구입, 급속히 보급될지는 논란의 여지가 있지만, 제조비용을 대폭 낮추는 것이 긴급한 과제인 것은 틀림없는 사실이다.

화학합성계 바이오 베이스 플라스틱은 현재 모두 폴리에스테르(Polyester) 수지이다. 재료의 전부 또는 일부에 석유를 이용하지 않아 환경 제품(Green Products)의 대표격으로 취급되지만, 폴리에스테르의 제조에는 석유계, 바이오매스계를 불문하고, 여러 단계에 걸쳐 고온에서 장시간의 반응이 필요하기 때문에 석유에 의존한 공정 에너지를 다량으로 사용하고 있으며, 할로겐화 재료나 용매를 사용하는 경우도 많다.

2000년대가 되면서 일부 새로운 촉매에 의한 고효율 제조법이 보고 되고는 있지만, 그 공정에서도 여전히 10시간 이상의 긴 시간이 필요해 간단하고 경제적이면서 환경 친화적인 제조법의 개발이 요구되어 왔다.

마이크로웨이브는 기존의 히터나 스팀과는 달리, 열전달에 의하지 않고 내부로부터 고속으로 균일하게 가열할 수 있다. 이러한 특징 때문에 식품의 가열, 건조, 세라믹스 건조, 소결, 최근에는 화학 합성에도 이용되고 있다.

폴리에스테르 합성의 기본 반응인 축합중합에는 주로 마이크로웨이브를 잘 흡수하는 기질이 관여하고 있는 것에 주목, 지방족 폴리에스테르 합성의 가열에 마이크로웨이브를 이용하면 시간과 공정 에너지를 대폭 줄일 수 있으며, 무용매화도 가능할지 검토되고 있다.

PolyButylene Succinate(현재는 석유계 재료가 주체이지만, 바이오매스 재료로부터의 제조도 이루어지고 있다.)의 합성에서는 재료인 Succinate와 1,4-부탄디올에 주석계 촉매를 첨가해 내열 글라스 시험관에 넣어 싱글 모드의 마이크로웨이브(2.45GHz)를 조사하고, 설정 온도(＞200℃)가 일정하게 되도록 제어했다.

마이크로웨이브는 최대 출력 200W로 설정되었지만, 실제로는 매우 단시간에 온도가 높아지기 때문에 반응 중에는 약 50W의 저출력으로 ON/OFF가 반복된다.

용매를 이용하지 않고 용해 상태로 반응시키면, 20분 후에는 평균분자량 2만(MW) 이상의 폴리머가 생상됐다. 이 때 배기 설비는 필수는 아니지만, 높은 분자량을 얻기 위해서 적당한 감압 조건을 조합해도 괜찮다. 일반적인 기존의 가열법을 이용하면 같은 온도, 시간의 조건에서 분자량은 수천 밖에 되지 않아 이 반응은 분명히 마이크로웨이브에 의해 가속되었다고 할 수 있다.

폴리유산에 적용한 결과를 소개한다. 폴리유산은 공업적으로는 저분자량 폴리유산으로부터 중합에 의해 환상 2량체인 락티드를 일단 합성/정제해, 개환중합에 의해 고분자량체를 얻는 복잡한 공정을 거쳐 제조되고 있다.

이 복잡한 공정이 저비용화에 걸림돌이 되고 있다. 여기서, 유산(바이오매스 재료)으로부터 용매를 사용하지 않고 직접 축합 중합을 마이크로웨이브로 실시해, 1단계에서 분자량을 2만 이상까지 올리는 방법을 개발했다.

이 기술의 개발에 의해 기존의 직접 축합 중합에서는 분자량 1만 이상의 폴리머를 얻는데 30시간 이상 필요하던 공정을 불과 30분 만에 실시하는 것이 가능하게 되었다.

(www.aist.go.jp)